Расчет каналов Гидравлика составитель доцент кафедры ГИГЭ ИГНД ТПУ Крамаренко В.В.

Канал (от лат. canalis – труба, жёлоб) в гидротехнике, искусственное русло (водовод) правильной формы с безнапорным движением воды, устроенное в грунте.

По назначению различают каналы –судоходные (искусственные водные пути), –энергетические (деривационные), –оросительные (ирригационные), –обводнительные, –осушительные, –водопроводные, –лесосплавные, –рыбоводные, –комплексного назначения.

Форма поперечного сечения канала, уклоны и облицовка Формы живых сечений каналов. а - трапецеидальная; б - прямоугольная; в -полигональная; г - полукруглая; д - параболическая; е - ложбинообразная.

Поперечные профили каналов на косогорах. При необходимости прокладки трассы канала на косогорах в каждом конкретном случае принимают соответствующие конструктивные решения, экономичные и обеспечивающие нормальную работу сооружения а - на пологом склоне в минимальной выемке; б - в полувыемке-полунасыпке; в - на крутом склоне с подпорной лицевой стенкой; г - на скальном основании с подпорной стенкой.

Расчет канала Площадь живого сечения канала и его форму выбирают на основе гидравлического расчета и с учетом конструктивных условий и назначения канала. Например, судоходные и лесосплавыне каналы должны иметь размеры, соответствующие габаритам расчетных судов и плотов. Гидравлический расчет обычно исходит из формул равномерного движения воды w= Q/v, где w площадь живого сечения, м2; v скорость течения воды, м/с; С коэффициент Шези, м 0,5 /с; R гидравлический радиус, м; i гидравлический уклон. однако энергетические каналы необходимо еще рассчитывать на неустановившийся режим. Размеры поперечного сечения канала В, b, d, а иногда и его форму выбирают на основе гидравлических расчетов с учетом производственных условий и допустимых скоростей течения. При этом используют обычно формулы для равномерного движения воды. После определения площади поперечного сечения канала производят его проверку на допускаемые скорости течения.

При равномерном движении воды в каналах расход Q, м3/с, следует определять по формуле, Для каналов с гидравлическим радиусом R 5 м коэффициент Шези следует определять, как правило, по формуле где n коэффициент шероховатости, определяемый по таблицам приведенным ниже. Допускается определять коэффициент Шези по формуле Для практических расчетов значение коэффициента Шези в формуле (2) допускается принимать по гидравлическим справочникам. Для приближенных расчетов допускается использование формулы

Для определения коэффициента Шези при расчете ирригационных каналов широко используется формула Агроскина И.И. С= 17,72, где n – коэффициент шероховатости русла; R – гидравлический радиус. Основанная на большом опытном материале формула И. И. Агроскина дает удовлетворительные результаты при n=0,009 0,040 и R = 0,1 3,0 м. В области гидравлически гладких русел С=18,75Re В области ламинарного режима движения: С=1,81. Для рек формирующих русла в песчано-гравийных породах и для каналов, проходящих в естественных грунтах и несущих наносы действительна формула Альштуля:.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ШЕРОХОВАТОСТИ п КАНАЛОВ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДОТОКОВ Расход воды в канале м 3 /с, Коэффициенты шероховатости п оросительных каналов в земляном русле каналыв связных и песчаных грунтах в гравелисто-галечниковых грунтах Более 250,02000, ,02250,0250 Менее 10,0250 Каналы постоянной сети периодического действия 0,0275 Оросители0,030 Примечания: 1. Для каналов водосборно-сбросной сети значение коэффициента шероховатости повышается на 10% по сравнению со значением того же коэффициента для оросительных каналов и округляется до ближайшего принятого в таблице значения. 2. Для каналов, выполняемых взрывным способом, значение коэффициента шероховатости повышается на % в зависимости от размеров принимаемой доработки сечений канала.

Характеристика поверхности ложа каналаКоэффициенты шероховатости п каналов в скале Хорошо обработанная поверхность 0,02 0,025 Посредственно обработанная по­ерхость без выступов 0,03 0,035 То же, с выступами 0,04 0,045 ОблицовкаКоэффициенты шероховатости п каналов с облицовкой Бетонная хорошо отделанная0,012 0,014 Бетонная грубая0,015 0,017 Сборные железобетонные лотки0,012 0,015 Покрытия из асфальтобитумных материалов0,013 0,016 Одернованное русло0,03 0,035 КОЭФФИЦИЕНТЫ ШЕРОХОВАТОСТИ КАНАЛОВ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДОТОКОВ

Характеристика руслаКоэффициенты шероховатости п естественных водотоков Естественное русло в благоприятных условиях (чистое, прямое, незасоренное, земляное, со свободным течением) 0,025 0,033 То же, с камнями0,03 0,04 Периодические потоки (большие и малые) при хорошем состоянии поверхности и формы ложа0,033 Земляные русла сухих логов в относительно благоприятных условиях0,04 Русло периодических водотоков, несущих во время паводка заметное количество наносов с крупногалечниковым или покрытым растительностью ложем, периодические водотоки, сильно засоренные и извилистые 0,05 Чистое извилистое ложе с небольшим числом промоин и отмелей0,033 0,045 То же, но слегка заросшее и с камнями0,035 0,05 Заросшие участки рек с очень медленным течением и глубокими промоинами0,05 0,08 Заросшие участки рек болотного типа (заросли, кочки, во многих местах почти стоячая вода и пр.)0,075 0,15 Поймы больших и средних рек, сравнительно разработанные, покрытые растительностью (трава, кустарники)0,05 Значительно заросшие поймы со слабым течением и большими глубокими промоинами0,08 То же, с неправильным косоструйным течением и большими заводями и др.0,1 Поймы лесистые со значительными мертвыми пространствами, местными углублениями, озерами и др.0,133 Глухие поймы, сплошные заросли (лесные, таежного типа)0,2 КОЭФФИЦИЕНТЫ ШЕРОХОВАТОСТИ КАНАЛОВ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДОТОКОВ

Для симметричного трапецеидального сечения площадь живого сечения определяется по формуле: w=(b+mh)h, смоченный периметр: =b+2h, гидравлический радиус. Для прямоугольного русла: w=bh, c=b+2h,.

Основные типы задач при расчете каналов

При проектировании трапецеидальных каналов рассматри­вают три основных типа задач. Коэффициент откоса m обычно выбирается из условия устойчивости откосов или их облицовки; коэффициент шероховатости и выбирается в зависимости от характеристики поверхности русла. Задача 1 типа. Определение расходов Q (скорости) при заданном уклоне i и принятом поперечном сечении ω канала. Задача решается непосредственным вычислением расхода по формуле: Q= ωC Предварительно вычисляются величины w=(b+mh)h, =b+2h R= C= Ry или С=R 1/6

Задача 2. Определение уклона дна ί при заданном расходе q и принятом поперечном сечении ω канала. Необходимый уклон находим непосредственно из формулы расхода Q= ωC, для чего находим C, R

Задача 3. Определение элементов живого сечения b и h при заданном расходе Q и уклоне i канала. Так как расчетное уравнение расхода одно, а требуется определить два неизвестных, то задача неопределенная. Чтобы ее решить, необходимо задаться b или β = b/h Возможны три варианта решения. Задаемся значением b и определяем соответствующую ему и условиям задачи h. Задачу решаем подбором: назначаем последовательно ряд глубин и вычисляем расходы до тех пор, пока не получим требуемого расхода; соответствующая этому расходу глубина и будет искомой. Задачу можно решить графоаналитическим способом. Задаваясь, как и выше, рядом глубин, получаем соответствующие им расходы, затем строим кривую зависимости Q = f(h). Откладываем по оси абсцисс требуемый расход и, восстановив перпендикуляр до пересечения с кривой, находим точку А. Этой точке на оси ординат соответствует искомая глубина. Можно задаться глубиной h и находить ширину канала по дну b. Задача решается так же, как и предыдущая: или подбором, или графоаналитическим методом. Назначаем ряд значений b и повторяем расчет канала до тех пор, пока расход не станет равен требуемому. Ширина b, при которой расход равен требуемому, и есть искомая. Если задачу решаем графоаналитическим методом, то по данным расчета строим кривую Q =f (b ), т.е., задаемся рядом значений b, находим соответствующие им расходы и затем строим график, откладывая по оси требуемый расход, но оси ординат определяем b. Если даны β=b/h, Q, m, n и требуется найти b и h, то задача решается так же, как и предыдущая. Задаемся рядом глубин h и находим соответствующие b, w, C, Q.

Допустимые скорости в каналах Одной из задач гидравлического расчета каналов является определение максимальной допускаемой скорости течения, называемой неразмывающей и минималь­ной допускаемой скорости (незаиляющей). Неразмывающая скорость – наибольшая скорость по­тока, при превышении которой русло начинает раз­мываться. Незаиляющая скорость. Это – скорость, при которой из потока еще не выпадают транспортируемые им взвешенные частицы. Частицы начинают выпадать из потока (заи­ливать русло) при скорости потока v. Значение незаиляющей скорости не зависит от материала ложа канала, а определяется характеристиками потока и взвешенных в потоке наносов. v min < v < v маx

Потери воды из каналов и меры борьбы с ними Различают три вида потерь воды из каналов: 1) на испарение в атмосферу, 2) на фильтрацию в грунт, 3) на фильтрацию через гидротехнические сооружения на каналах. Наибольшими являются потери воды на фильтрацию в грунт ложа канала. В оросительных каналах эти потери могут достигать % полезного расхода воды. Такие значительные потери роды удорожают строительство каналов из-за необходимости делать их большего сечения (с целью доставки потребителю требуемого количества воды) и значительно увеличивают эксплуатационные расходы по каналам, питающимся при помощи насосных станций. Существуют также эмпирические формулы, например, формулы А. Н. Костякова для оросительных каналов. В них потери воды на 1 км длины канала а даются в процентах от расхода Q протекающей в нем воды (м3/с): в среднепроницаемых грунтах в тяжелых малопроницаемых грунтах

Особенности расчета русел рек В инженерной практике для упрощения расчетов естественное поперечное сечение заменяют поперечным сечением пpавильной формы, по площади равным естественному. Если естественное русло характеризуется относительно большой шириной B>>А, то его сечение заменяют прямоугольным. Смоченный периметр принимают равным ширине русла реки поверху χ= В, поперечное ω=bh, а гидравлический радиус R=h. Тогда формулы и расходной характеристики имеют вид Q=BCh 1, 5, K=BCh 1,5 Если естественное русло приводят к параболическому очертанию, w=2/3Bh, c=B, R=2/3h то Q=0,545 BCh 1.5 i, K = 0,545 BCh 1,5.

Расчет каналов замкнутого сечения К каналам замкнутого сечения относятся различные трубопро­воды и тоннели, в которых поток воды не заполняет всего сечения. Применяются стандартные профили круглого, шатрового, овоидального и лоткового сечения. Все трубопроводы одной формы геометрически подобны между собой и отличаются друг от друга только по размеру. При расчете любого профиля решаются те же три основные задачи, что и для обычного открытого канала: определение расхода, уклона и размеров сечения. Гидравлические расчеты тоннелей, безнапорных водоводов и канализационных труб производятся по тем же формулам, что и расчет каналов. Основной расчетной формулой являетcя уравнение Шези. Безнапорное движение в круглых и овоидальных трубах имеет некоторые особенности: наибольший расход и наибольшая скорость наблюдаются при частичном наполнении тpy6, а не при полном.

Гидравлический расчет каналов замкнутого поперечного сече­ния (круглой или иной формы) непосредственно по основный формулам Шези является весьма трудоемким, по­этому на практике пользуются вспомогательными графиками или таблицами, составленными для отношений А = K n /К; B = W п /W, w n /w; R n /R, при различной степени наполнения канала А = h п /H, т.е. в форме соответствующих функций от h п /H. Здесь К п – расходная характеристика при некоторой глубине h π, т.е. при частичном наполнении, а К – расходная характеристика при глубине Н, т. е. при максимальном наполнении, когда канал работает пол­ным сечением. Аналогично обозначают скоростную характеристику – W п, площадь живого сечения – wп и гидравлический радиус – R n при глубине h п, a W, w и R (без индекса) обозначают те же величины при глубине Н: W =C R=V/ i. Для каналов с геометрически подобными сечениями указан­ные зависимости Kп/K и Wn/W остаются практически одинаковыми (не связаны с величиной каналов). На рис приведены кривые А=Kп/K и В=Wn/W для труб круглого сечения. Пользуясь этими кривы­ми, можно определить расходную характеристику Кп или скоростную характеристику Wn при любой заданной глубине канала hп, если известна расходная характеристика К или скоростная характеристика W при максимальном за­полнении данного сечения. С учетом приведенных зависимостей расход и скорость при частичном наполнении равны: Q=AK; V=BW.

Источники: Исаев А.П., Сергеев Б.И. Дидур В.А. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов. М.: Агропромиздат, – 400 с. Пашков Н.Н., Долгачев Ф.М. Гидравлика. Основы Гидрологии.- М.: Энергоатомиздат, –448с.: ил. Калицун В.Н. Гидравлика, водоснабжение, канализация. – М.: Стройиздат, – 397 с. Штеренлихт. Гидравлика: Учебник для вузов.-М.: Энергоатомиздат, –640с. Константинов Н.М. и др. Гидравлика, гидрология, гидрометрия: Учеб. Для вузов в 2-х частях. Общие законы. М.: Высш. Шк., Слободкин А.Я. М., Изд-во Лесная промышленность, – 256с. Примеры расчетов по гидравлике. Учеб. пособие для вузов. Под. Ред. А.Д. Альштуля. М., Стройиздат, с.